基于现场总线的单片机温度测量系统.doc

1、毕业设计（论文） 目 录 1， 绪论 3 1.1 设计总体说明4 1.2方案论证71.2.1 铂热电阻71.2.27 1.2.3 现场总线82、 总体设计13 2.1系统工作原理132.2系统方框图14 2.3系统总体电路设计153、硬件设计15 3.1总体设计框架15 3.2温度传感器16 3.2.1传感器概述16 3.2.2传感器的静态特性17 3.2.3传感器的动态特性20 3.2.4传感器不失真检测转换条件20 3.2.5传感器的分类21 3.2.6电阻式温度传感器22 3.2.7传感器的选用23 3.3 A/D转换器23 3.3.1 A/D转换器的类型23 3.3.2 ADC性能指标

2、24 3.3.3选用ADC080925 3.4单片机28 3.4.1单片机概述28 3.4.2 AT89S51单片机29 3.5 CAN总线设计35 3.5.1 CAN总线硬件设计35 3.5.2 CAN总线软件设计37 3.6 CAN总线收发器39 3.6.1 82C250的主要特性29 3.6.2 82C250的功能框图29 3.6.3 功能描述40 3.7 显示电路424、软件设计43 4.1 系统程序设计44 4.2显示控制程序45 4.3按键检测子程序50结束语52附录：测量主程序533、 流程图57参考文献58致谢59 1、绪论改革开放以来，人们生活水平越来越高，城市农村建设迅猛发

3、展，农业、工业发展迅速，在城市里人们需要更多的园林建设来美化城市，改善生态环境，因此需要一个良好的温室系统来培育优良的苗木和花草，在农村，用温室种植蔬菜、花草等。在其它很多地方也会用到温室系统，如粮库需要一个好的温、湿度环境，让粮食不至于在长时间里变质。因此一个良好的智能温室系统，会给人们生活带来很大的帮助！温室系统是一个多方面智能监控系统，如温度系统、湿度系统、灌溉系统、阳光系统、通风系统等。通过该系统进行温度测量，将数据实时显示和监控，要求系统温度偏差小于5，这样才能更加准确的提供一个良好的温度环境。当温度过高或者过低时，系统采取相应措施进行即时处理，恢复所要的理想温度范围。温度是与人类的

4、生活、工作关系最密切的物理量，也是各门学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测定的物理量。从工业炉温、环境气温到人体温度；从空间、海洋到家用电器，各个技术领域都离不开测温和控温。因此，测温、控温技术是发展最快、范围最广的技术之一。本文采用的是物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，而且测量精度高、范围宽的铂热电阻进行温度系统的测量。温度控制系统具有非线性、时滞以及不确定性。单纯依靠传统的控制方式或现代控制方式都很难达到高质量的控制效果。采用单片机进行温度控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标。此测量电路能测量0500的温度变化。用传感器测量温度，将被测

5、量转换成电压，再转换为A/D转换器能够识别的05V，经过单片机处理，并在四位LED数码管上显示所测量的温度值显示格式为：XX.XX。控温精度为正负0.5。AT89S51将所测数据通过CAN总线传送给上位机，作为工业的参考数据存储起来。目前现场总线控制系统是一个以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程自动化、制造自动化，电力等领域都有广泛的应用前景。目前国内的现场智能仪表中，可连接于FF总线系统的产品还没有得到推广。而国外进口产品价格较高，维修不方便。因此，对于此次设计的，可以和现有常规产品连接的系统是很有必要的。 设计总说明 本文以CAN总线为基础

6、，CAN总线上的每一节点均可以作为主节点主动地与其它节点交换数据,彻底解决了主从结构网络上只能有一个主节点、其余均为从节点的潜在危害，CAN网络中的节点（信息帧）可分优先级，这对实时控制系统无疑是极为有利的。由于本系统采用了CAN总线构成局域网因此程序设计具有很大的灵活性。根据系统特点将程序分为两部分：监控程序、现场LCD显示程序和测温程序。利用微型计算机作为监控模块的主机，监控程序可完成较完备的温度监控和数据管理功能如：特定点温度的采集和显示，整个系统温度的采集和显示，温度越限报警点的定位等；现场LCD显示程序主要完成对信息的接收、处理，并按照一定的规律将其显示出来；测温程序主要完成接收监控

7、计算机发出的各种命令，采样信息等功能根据CAN协议和CAN设备的要求，用铂热电阻的温度传感器进行温度采集，通过AT89S51芯片进行温度输入、显示、控制等。然后通过FB3050和CPU P89V51RD2完成通讯控制，AT89S51将所测数据通过CAN总线传送给上位机，作为工业的参考数据存储起来。设计了一个基于现场总线的温度测控系统。该系统具有结构简单、成本低廉、性能可靠等优点。 温度测量系统中，传感器采用铂热电阻的温度测控电路。信号采集电路采用对称的差动式电桥测量温度信号,铂热电阻器RES4和精密电阻器R3、R4及R5组成测量电桥。此信号再经放大器放大之后经A/D转换器接入单片机就构成了温度

8、监控系统。再经过处理以后，由LED数码管显示数据。 温度测量系统可以通过传感器将被测量转换为O 到5V 的单路输入电压值，并在四位LED 数码管上显示温度值。本文将研究一种由CAN总线完成测控系统间数据通信、结构灵活、通用性号的温度测控系统，使用Pt100，并能方便的实现系统互联。将传感器的输出变换成标准电压或电流信号，通过A/D转换变成数字量。将数字量信号传给单片机，最后单片机将采集到的数据送到CAN总线控制器，通过CAN总线收发器传上总线，完成数据采集工作。 本文首先引入了现场总线这一高度综合与集成了计算机技术、通信技术和控制技术的新的技术模式，分析了现场总线的结构模型、特点、优点和类型等

9、，进而讨论了CAN作为众多现场总线之一的独特优点。在此基础上开发了基于CAN现场总线的温度监控系统。本文对该系统的结构、功能与特点、硬件选用设计和通信程序设计给予了详细的叙述从整体和局部的不同角度阐明了系统中所使用技术的先进性和独到之处： 此测量电路能测量0500的温度变化。用传感器测量温度，将被测量转换成电压，再转换为A/D转换器能够识别的05V，经过单片机处理，并在四位LED数码管上显示所测量的温度值显示格式为：XX.XX。控温精度为正负0.5。通过该系统进行温度测量，将数据实时显示和监控，要求系统温度偏差小于5，这样才能更加准确的提供一个良好的温度环境。当温度过高或者过低时，系统采取相应

10、措施进行即时处理，恢复所要的理想温度范围。关键词：温度；CAN总线；LCD；行列式键盘；AT89S5General DesignDescription This paper based on CAN bus, CAN bus every node on all CAN be as the main node actively and other nodes exchange data, thoroughly solved the master-slave structure on the network CAN only have one main node, the others all t

11、he potential danger from node to node in the network, CAN (information CAN be divided into priority frame), the real-time control system is undoubtedly the extremely beneficial. Because this system USES a CAN bus constitute a LAN so the process design of great flexibility. According to the system ch

12、aracteristics will program was divided into two parts: monitoring procedures, the LCD display procedures and temperature measurement procedures. Micro computer as monitoring modules host, monitoring procedures can complete a complete temperature monitoring and data management functions such as: spec

13、ific point the collection of temperature and display the whole system, the collection of temperature and display, the emergency alarm limit temperature of positioning; The LCD display program information to complete the main receiving, processing, and according to certain rules will display the; Tem

14、perature measurement program mainly completes a computer monitor all kinds of receiving orders, sampling information etc. Function According to the agreement and CAN equipment CAN request, use of the platinic resistance temperature sensors for temperature gathering, through the AT89S51 chips for tem

15、perature input, display, control and so on. Then through the FB3050 and CPU P89V51RD2 complete communication control, AT89S51 will test data through the CAN bus transfer to the PC, as the reference data storage industry up. Design based on field bus temperature measurement and control system. The sy

16、stem has simple structure, low cost and reliable performance, etc. Temperature measuring system, and the sensor of the platinic resistance temperature measurement and control circuit. Signal acquisition circuit adopts symmetrical differential bridge measuring temperature signal, platinum resistor an

17、d precision resistor hot RES4 R3, and of bridge R5 r4-g9 measurement. This signal by the amplifier amplification again after the A/D converter access single-chip microcomputer constitutes the temperature monitoring system. And then after treatment, after LED digital display by the data. Temperature

18、measurement system can be measured through the sensor will convert to O 5 V single input voltage values, and in the four LED digital display on the temperature. This paper will research a complete measurement and control system by the CAN bus between data communication, flexible, the temperature of

19、the measurement and control system, general use, and CAN Pt100, the realization of the convenient system interconnection. The output of the sensor to transform standard voltage or current signal, through the A/D conversion into the digital quantity. Will the digital quantity signal to a single-chip

20、microcomputer, the microcontroller will be collected data sent to the CAN bus controller, through the CAN bus transceiver posted on the bus, complete data acquisition work. This paper first introduces the fieldbus this highly integrated and integration of the computer technology, communication techn

21、ology and control technology of new technology mode, analyzes the structure of the field bus model, characteristics, advantages and type and so on, then discusses the many field bus CAN one of the unique advantages. On the basis of the development based on CAN field bus temperature monitoring system

22、. In this paper, the system structure, function and characteristics, hardware design and communication program design selection gives detailed narrative from the overall and partial view of the different illustrates the system used in the advanced nature of the originality and technology: the measur

23、ement circuit can measure 0-500 temperature changes. Use sensors measuring temperature measurement, will be converted into voltage, then switched to A/D converter be able to recognize the 0, 5 V, single chip, and in the four LED digital display A tube of measurement temperature display format for XX

24、: XX. Temperature control precision of plus or minus 0.5 . Through this system, temperature measurement data real-time display and monitoring, asks the system less than 5 temperature deviation, so that we can more accurately provide a good temperature environment. When the temperature too high or to

25、o low, the system adopt corresponding measures real-time processing, restore the ideal temperature range.Keywords: temperature; The CAN bus; LCD; The determinant keyboard; AT89S511.2 方案论证1. 铂热电阻传感器铂电阻温度传感器Pt100其电阻值随着温度的变化而变化，为了便于检测，可将其信号转换为电压或电流信号，这里采用外加恒流源将电阻变化转变为电压变化信号。 铂热电阻的端子接线有三种不同的连接方式，即2线式、3线

26、式和4线式。铂热电阻是一种阻值随温度改变的温敏传感器，但实际使用时要把引线电阻计算在内，即与铂热电阻本身阻值相加。因此，2线式适用于传感器在印制版上，即测量电路与传感器不太远的情况。所以我们常采用3线或者4线式接法。原理图中，第一个运算放大器的输出端和其反向输出端连接，起到了稳压的左右，而又将输出的稳压连接到了测量电桥，当温度发生变化时,铂热电阻器RES4的阻值也随之变化,电桥输出信号经运算放大器放大并经过相应的偏置处理后。使其电压满足ADC0809片内A/D转换器的电压输入范围0 V一5 V,以进行A/D转换。 在信号调整电路里，为了提高Pt100的测量精度,减少线路的长度对检测结果的影响，

27、Pt100采用四线法进行采样信号，再经过差动放大电路，这样可以较好的减少零点漂移，以及减少由于线路过长产生的压降对系统的影响。2.AT89S51单片机现代控制系统设计思想是将单片机或其他可编程器件与传统模拟、数字技术相结合，原来需要通过模拟电路、脉冲电路、组合逻辑实现的大部分控制功能，现在相当大的部分都可以用各种单片机通过软件方法予以实现。尽管8位单片机种类很多，但无论是从世界范围还是全国范围来看，51系列都是使用最广泛、影响最深远的，许多公司都推出了兼容系列单片机。51系列单片机实际上已经成为一个公认的8位单片机的标准，一直占有最大的市场。其中8051是51系列中最早最典型的产品，它最能体现

28、单片机“single chip computer”的基本结构。但由于8051芯片使用起来不方便，功耗也较高，在实际使用方面早已经被淘汰，代之以与其兼容的89C51、89S51等。与PIC单片机相比，AT89C51最致命的缺点在于不支持ISP（在线更新程序）功能。AT89SC51就是在这样的背景下取代AT89C51的。AT89S51系列单片机的优点 ISP在线编程功能：当你需要修改单片机内部程序存储器内的程序时，并不需要把AT89S51芯片从工作现场中剥离。 具有串行的程序存储器写入方式，写入速度更快，稳定性更好，烧写电压也较低，仅仅需要45V即可。 反复烧写次数更多：AT89S51标称为100

29、0次，实际最少是1000次10000次，这样更有利于初学者反复烧写，减低学习成本。 工作频率更高：AT89C51极限工作频率是24MHz，而AT89S51最高工作频率是33MHz。就是说AT89S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。为适应低功耗的要求，AT89S51的时钟频率最低可以下降到0. 电源范围更宽：AT89S51电源范围较宽，达45.5V，而AT89C51系列单片机在低于4.8V和高于5.3V的时候则无法正常工作，电压范围相对较窄。 抗干扰性更强：AT89S51内部集成了看门狗计时器（watchdog timer）. 加密功能更强：AT89S51系列提供了三层的全新加密算

30、法（有LB1、LB2、LB3三个可编程的加密位），这使得对于AT89S51的解密变为几乎不可能，程序的保密性大大加强。 支持低功耗模式：AT89S51支持两种可以用软件设置的低功耗模式，空闲（Idle）和掉电（power down）模式，其中power down模式还支持中断唤醒。Idle模式可以在RAM、定时器、串行口和中断系统持续工作的时候停止CPU。Power down模式可以保持RAM中的数据，但时钟停止工作，并且所有的功能部件都会失效，直到来一个外部中断或者系统复位，才会脱离power down模式。另外，AT89S51在结构上还设计了双数据指针（dual data pointer）

31、、设置了电源关闭标志（power off flag）。 AT89S51向下完全兼容51系列的所有产品。 3.现场总线 3.1现场总线简介 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，给自动化领域带来了一次革命。基于现场总线及智能化仪表的控制系统FCS (现场总线控制系统)将逐步取代传统DCS（集散式控制系统）。DCS系统被称为集散式控制系统，它打破了计算机控制系统发展初期由单台计算机统管整个车间甚至工厂的集中控制模式，把整个生产过程分解多个子系统，由多台计算机共同协作完成自控系统功能，每台计算机或微处理器独立承担其中某一部分功能，并广泛采用冗余结构提高

32、安全性。这种系统的优点是避免集中控制模式中危险集中的弊端。FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCS 计算机控制系统出现以后，在工程实践中广泛使用模拟仪表系统中的传感器、变送器和执行机构，其信号传送一般采用420mA的电流信号形式。一个变送器或者执行机构需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。这种传输方法使用的导线多，现场安装及调试的工作量大，投资高，传输精度和抗干扰性能较低，不便维护。主控室的工作人员不便了解现场仪表的实际情况，不能对其进行参数调整和故障诊断，所以处于底层的模拟变送器和执行机构成了计算机系统中最薄弱的环节，即所谓的DCS系统的发展瓶

33、颈。现场总线控制系统正是在这种情况下诞生的。现场总线（Field bus）是应用在生产现场的，在测量控制设备之间实现双向、串行、多点通信的数字通信系统。它在制造业、流程工业、交通、楼宇、工业控制、汽车行业等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景，并在很多行业渗透。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统。现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS）是在以往的集散控制系统的基础上顺应用户对网络控制系统提出的开放性和降低成本的要求而诞生的。它用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各控制器及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了

34、安装成本和维护费用。因此，FCS实质是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，已成为21世纪控制系统的主流产品。现场控制系统既是一个开放的通信网络，又是一个全分布控制系统，它作为智能设备的纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并通过组态进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿控制、参数修改、报警、显示、监控、以及测、控、管一体化的综合自动化功能。现场总线控制系统是一个以智能传感器、自动化、计算机、通信、网路等技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通、电力、等领域都有广泛的应用前景。现场总线具有以下技术特点：系统具有开放

35、性，对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从；系统具有互可操作性与互用性，互可操作性是指实现互联设备之间、系统间的信息传送与沟通，互用则意味着不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换；现场设备的智能化与功能的自治性，它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备运行状态；系统结构高度分散性，现场总线已构成一种全新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性；对现场环境的适应性，工作在生产现场最前端的现场总线，是专门为现场环境设计的，可

36、以支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，可满足本征安全防爆要求等。 自现场总线出现以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。下面介绍几种常用的现场总线。 基金会总线：基金会现场总线的主要技术内包括FF通信协议，用于完成开放 式互联模型中的27层通信协议的通信栈，用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典，以及用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件，以及构筑集成自动化系统网络系统的系

37、统集成技术。 基金会现场总线FF（Fieldbus Foundation）以ISO/OSI开放系统互联模式为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。基金会现场总线的主要技术内容包括FF通信协议、用于完成开放互联模式中第2-7层通信协议的通信栈、用于描述设备特性、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成

38、技术。 LonWorks：LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现。在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASHRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。LonWorks现场总线特点（1）采用了ISO/OSI模型的全部七层协议和面向对象的设计方法，通过网络变量把网络系统通 信设计简化为参数设置，通信速率从300bps至1.5Mbps不等。（2）支持多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品。（3）3个8位CPU分工合作，共同完成系统功能。（4）Echel

39、on公司鼓励OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的产品，因此，已被广泛用于工业控制等行业。 Profibus：Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。DP型适用于分散外设的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。 HART：HART是High Way Addressable Remote Transducer的缩写。最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于199

40、3年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过度时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。HART 规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能